高瓦斯隧道瓦斯監(jiān)測與分布規(guī)律分析

賢威

摘要：高瓦斯隧道施工過程中很容易產(chǎn)生瓦斯積聚或溢出，存在較大的安全隱患。文章提出在隧道高瓦斯路段開挖施工過程中，通過制定瓦斯監(jiān)測方案，對爆破前后、不同取樣位置、不同時間段瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，并分析監(jiān)測結(jié)果得出了隧道內(nèi)瓦斯的分布規(guī)律，可為隧道安全施工提供保障。

關(guān)鍵詞：高瓦斯隧道;監(jiān)測;采樣位置;分布規(guī)律

中國分類號：U456.3文章標識碼：A351373

0 引言

高瓦斯隧道在施工和運營過程中，會產(chǎn)生瓦斯溢出，如控制不當很容易產(chǎn)生安全事故。由于瓦斯在隧道圍巖內(nèi)部分布不均勻，必須在隧道建設(shè)過程中加強監(jiān)測，對瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，從而確定隧道內(nèi)瓦斯的分布規(guī)律。隧道施工爆破、采樣位置和采樣時間都會對瓦斯監(jiān)測結(jié)果造成很大影響，因此施工前應(yīng)全面考慮確定隧道內(nèi)瓦斯的分布情況，根據(jù)瓦斯分布規(guī)律制定預防措施，以保證隧道施工安全。

1 工程概況

辛莊上隧道進口端位于山西省太原市古交市河口鎮(zhèn)磨石村西南側(cè)，出口端位于山西省太原市古交市西曲街辦胡家咀村東南側(cè)。隧道穿越剝蝕構(gòu)造基巖低中山區(qū)，進口端頂部覆蓋薄層粉土、碎石、雜填土，出口端基巖出露。隧道設(shè)計為左右線分離式，兩洞間距約為15～30 m;雙車道，一字型縱坡。其進、出口里程為：右洞TK5+824～TK7+738，全長1 914 m，隧道類型屬長隧道，設(shè)計進、出口路面高程分別為1 053.734 m和1 091.629 m，隧道最大埋深（里程TK6+780）約187.36 m，自然通風。左洞ZTK5+795～ZTK7+742，全長1 947 m，隧道類型屬長隧道，設(shè)計進、出口路面高程分別為1 053.455 m和1 091.558 m，隧道最大埋深（里程ZTK6+810）約183.1 m，機械通風。

根據(jù)采空區(qū)專項勘察資料顯示，隧址區(qū)位于大南坪煤礦和礬石溝煤礦礦界內(nèi)，大南坪煤礦東側(cè)8#、9#煤層埋深較淺，為小窯私挖亂采區(qū);礬石溝煤礦在TK6+660～TK7+740段2#、3#、4#、7#煤層采空，屬于多年前小窯開采，8#和9#煤層為礬石溝煤礦，于近幾年開采。辛莊上隧道下伏多層采空區(qū)，采空區(qū)距離隧道底最大垂直距離約80 m，其中8#、9#煤層2019年仍然在開采。地勘報告顯示隧道下伏采空區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)，設(shè)計中針對不穩(wěn)定采空區(qū)采取了注漿加固處理。經(jīng)過調(diào)查，辛莊上隧道右線TK5+824～TK7+738和左線ZTK5+795～ZTK7+742為高瓦斯工區(qū)。

2 瓦斯監(jiān)測方案

2.1 瓦斯監(jiān)測方案

辛莊上隧道瓦斯監(jiān)測采用隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)和人工移動式監(jiān)測相結(jié)合的方式，對隧道內(nèi)風速、CH4、CO等有害氣體等指標進行實時監(jiān)測。分別在隧道進出口布置一套隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對有害氣體、風速的監(jiān)測，還可以根據(jù)瓦斯?jié)舛葘崿F(xiàn)聲光報警，指揮人員撤離，具有門禁管理、人員定位、信息顯示和視頻監(jiān)控等功能。監(jiān)控系統(tǒng)總體布設(shè)方案為：在洞口設(shè)置監(jiān)控中心，配置主控計算機、報警儀、中心監(jiān)控大屏幕和斷電系統(tǒng)等;在隧道內(nèi)部布置瓦斯監(jiān)測分站，間隔距離為700 m;分別在隧道洞口回風流處、開挖工作面、二次襯砌工作面、橫洞等部位設(shè)置布置甲烷、氮氧化物、一氧化碳等監(jiān)測傳感器。

隧道人工移動式檢測進、出口各設(shè)置瓦斯檢測員2名，使用“四合一”有害氣體檢測儀對CO、CO2、氮氧化物、CH4等其他物質(zhì)的濃度進行檢測。此外，每位瓦斯檢測員各配備一臺便攜式甲烷檢測報警儀，一旦瓦斯?jié)舛瘸^限制時自動報警。

2.2 瓦斯監(jiān)測部位和監(jiān)測頻率

瓦斯監(jiān)測部位為上、下臺階、二次襯砌、仰拱等施工工作面，瓦斯容易產(chǎn)生積聚的襯砌臺車、拱頂、橫洞等部位，電氣設(shè)備附近，圍巖破損開裂容易產(chǎn)生瓦斯溢出的區(qū)域等。為了確定掌子面前方瓦斯?jié)舛龋谒淼勒谱用娌荚O(shè)6個超前探孔，分別位于拱頂點、兩拱腳點、兩邊墻腳點和仰拱底中點，瓦斯監(jiān)測的重點部位是隧道拱頂和兩側(cè)起拱線位置。

隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測頻率為全天候24 h監(jiān)控，根據(jù)CH4濃度確定監(jiān)測頻率：CH4濃度≤0.5%時，每0.5～1 h監(jiān)測一次;CH4濃度>0.5%時，應(yīng)隨時監(jiān)測;CH4濃度>2%時，應(yīng)加強通風并隨時監(jiān)測。

3 隧道內(nèi)瓦斯監(jiān)測與分布規(guī)律分析

3.1 爆破前后隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果分析

為了研究爆破前后隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，分別在裝藥前、放炮前和放炮后對瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測。本文統(tǒng)計了辛莊上隧道前后35次開挖爆破開挖前后瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，繪制瓦斯?jié)舛茸兓€如圖1所示。

分析圖1曲線變化情況，在35次爆破施工后，有6次放炮后瓦斯?jié)舛瘸^了0.1%，其中最高濃度達到了0.19%。曲線變化趨勢表明放炮后瓦斯?jié)舛让黠@高于裝藥前和放炮前，這是由于爆破使圍巖內(nèi)部的瓦斯涌出路徑連通，爆破后圍巖內(nèi)的瓦斯大量涌出，造成瓦斯?jié)舛让黠@提高。

3.2 不同采樣位置瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果分析

通過對比分析隧道掌子面、二次襯砌、仰拱和下臺階等開挖工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)，確定掌子面的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果最高。因此，在辛莊上隧道施工過程中，選取TK5+985、ZTK6+655、TK7+255三個監(jiān)測斷面，重點對掌子面瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，監(jiān)測部位為拱頂、左拱腳、右拱腳，三個監(jiān)測斷面瓦斯?jié)舛茸兓€如圖2～4所示。

分析圖2～4所示瓦斯?jié)舛惹€變化情況可知，圖2和圖3拱頂瓦斯?jié)舛让黠@高于兩側(cè)拱腳，圖4左側(cè)拱腳瓦斯?jié)舛雀哂诠绊斖咚節(jié)舛?，這是由于下臺階開挖過程中圍巖局部積聚的瓦斯產(chǎn)生了溢出。瓦斯?jié)舛入S著監(jiān)測次數(shù)的增加，總體呈現(xiàn)下降的趨勢，監(jiān)測后期瓦斯?jié)舛群苄。梢院雎?。總之，結(jié)合多個斷面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果進行分析，大多數(shù)監(jiān)測斷面拱頂瓦斯?jié)舛雀哂诠澳_瓦斯?jié)舛?，只有少?shù)斷面拱腳瓦斯?jié)舛雀哂诠绊?，且隨著觀測時間的增加，瓦斯?jié)舛炔粩嘞陆怠?/p>

3.3 不同時間段瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果分析

為了分析隧道內(nèi)高瓦斯路段不同時間段瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律，在施工過程中在隧道左洞和右洞布置測點，對不同掘進里程瓦斯超限次數(shù)進行統(tǒng)計，觀測時間從2020-10-03至2021-01-20，共進行了10次監(jiān)測，統(tǒng)計結(jié)果如圖5和圖6所示。

分析圖5和圖6曲線變化情況，瓦斯?jié)舛瘸薮螖?shù)基本與掘進里程成正比，開挖至高瓦斯路段中段時瓦斯超限次數(shù)較高，且左右兩洞超限次數(shù)變化趨勢基本相同。前期為2020-10-03至2020-10-17，取左右洞7 d瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)，瓦斯超限次數(shù)平均為6次左右。中期為2020-10-17至2020-12-20，取左右洞14 d瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)，瓦斯超限次數(shù)平均為8次左右。后期為2020-12-20至2021-01-20，取左右洞7 d瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)，瓦斯超限次數(shù)平均為5.5次左右?？傊?，通過對辛莊上隧道高瓦斯路段不同開挖時間段瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測分析得出，瓦斯超限次數(shù)與掘進里程基本成正比，且高瓦斯路段中段瓦斯?jié)舛瘸薮螖?shù)最多。

4 結(jié)語

為了保證辛莊上隧道施工安全，在施工過程中制定瓦斯監(jiān)測方案，對爆破前后、不同取樣位置、不同時間段瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，并分析總結(jié)了瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）分析爆破前后瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果，得出放炮后瓦斯?jié)舛茸罡?，這是由于爆破后圍巖內(nèi)的瓦斯大量涌出造成的。

（2）分析不同取樣位置瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果，得出大多數(shù)掌子面拱部瓦斯?jié)舛雀哂诠澳_，且隨著觀測時間的增加，瓦斯?jié)舛炔粩嘞陆怠?/p>

（3）分析不同時間段瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果，得出瓦斯超限次數(shù)與掘進里程基本成正比，且高瓦斯路段中段瓦斯?jié)舛瘸薮螖?shù)最多。

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